Kulaté výročí evropské laboratoře částicové fyziky CERN  
Koncem září, přesněji 29., oslaví největší evropská laboratoř částicové fyziky 60. výročí svého založení. Laboratoř se stala nejrozsáhlejším výzkumným centrem částicové fyziky na světě. Ve své historii má řadu objevů, i nobelovských. Posledním je potvrzení existence Higgsova bosonu, které umožnilo konečně v minulém roce ocenit předpověď této částice Nobelovou cenou. Za tímto posledním úspěchem stojí v současnosti největší urychlovač na světě LHC.


Název laboratoře CERN (z francouzského Conseil Européen pour la recherche nucléaire) je trochu zavádějící. Jednak nyní nejde o „Conseil“ ale o „Organisation“, a navíc výzkum v oblasti jaderné fyziky je nyní spíše menší částí. I když i ten přináší velmi zajímavé výsledky. Důležité jsou třeba měření pravděpodobností reakcí neutronů v širokém rozsahu energií, které je nezbytné pro vývoj budoucích pokročilých jaderných systémů pro produkci elektřiny, ať už využívají štěpení nebo fúzi. Ta se provádějí pomocí zařízení n-TOF.

Zvětšit obrázek
Celkový letecký pohled na krajinu, kde se laboratoř CERN nachází (zdroj CERN).

Známé jsou i provedené experimenty se sestavou testující možnosti využití urychlovačem řízených transmutorů,  které by dokázaly využívat thorium a dramaticky snížily množství jaderného odpadu při produkci elektřiny. Na tomto výzkumu se podílel i nositel Nobelovy ceny a bývalý ředitel laboratoře Carlo Rubia. Velmi zajímavé jsou i studie velice exotických radioaktivních jader daleko od linie stability, které jsou jen velmi krátce žijící a mají značný přebytek neutronů nebo protonů. Přitom se využívá zařízení ISOLDA.


 Dominantní část nejatraktivnějších výsledků se však týká fyziky částic. Té se také někdy říká fyzika vysokých energií. Důvodem tohoto druhého jejího názvu je metoda, která se pro studium částic a jejich struktury využívá. Při zkoumání v této oblasti se využívají srážky urychlených jader či částic. Při srážce umožňují zákonitosti kvantové fyziky vytvářet nové částice, kinetická energie se při srážce mění na klidovou energii spojenou s hmotností nově vytvořené částice nebo částic. Pokud tedy chceme vytvářet částice s velkou hmotností a tedy i klidovou energii, musí mít urychlená částice, která se sráží vysokou kinetickou energii. Pro studium nových stále těžších částic tak je potřeba mít stále větší urychlovače, které dokáží urychlovat částice na stále vyšší energie.

 

Zvětšit obrázek
První práce na budování laboratoře začaly v oblasti Meyrin v květnu 1954 (zdroj CERN).

Stále vyšší energie urychlených částic také umožňují vidět stále větší detaily struktury hmoty. Mikroskopické kvantové objekty mají zároveň částicové i kvantové vlastnosti. Mají tak také svou charakteristickou vlnovou délku, která určuje i neurčitost v jejich poloze. Ta je tím menší, čím je větší jejich hybnost a tím i kinetická energie. Pokud tedy chceme zkoumat stále menší detaily struktury částic, musíme mít stále vyšší energii urychlených částic, kterými ji zkoumáme.


Oba zmíněné důvody vedly k tomu, že se v laboratoři CERN během její historie stavěly stále větší a větší urychlovače. Právě stálý a efektivní rozvoj urychlovací techniky byl základním prvkem úspěchu laboratoře. Rozvoj urychlovacích technik umožnil laboratoři získat Nobelovu cenu za fyziku za objev bosonů W a Z zodpovědných za slabé interakce. Objev byl postaven na možnosti produkovat, akumulovat a urychlovat svazky antiprotonů. Ty se urychlovaly v kruhovém urychlovači společně s protony, ale v opačném směru. Po dosažení dostatečné energie se protony s antiprotony srážely. Celý systém by nemohl pracovat bez metody stochastického ochlazování svazku, kterou navrhl Simon van der Meer. Ten pak společně s Carlem Rubiou dostal Nobelovu cenu.


 

Zvětšit obrázek
První urychlovač produkuje první výsledky, duben 1957 (zdroj CERN)

Stejně tak byl klíčový i rozvoj nových detektorů a experimentálních metod. Připomeňme, že jedním ze jmen nobelistů, která jsou spojena s laboratoří je Georges Charpak. Ten dostal Nobelovu cenu právě za rozvoj detektorů částic, zvláště za mnohodrátovou proporcionální komoru.

 

Trochu historie

Laboratoř CERN vznikla 29 září 1954, i když její příprava začala už v roce 1952. Hlavním cílem bylo umožnit koncentraci prostředků a lidského potenciálu v oblasti výzkumu struktury hmoty na úrovni atomového jádra. Její místo bylo vybráno na hranicích Francie a Švýcarska blízko Ženevy. Zakládajících členů bylo dvanáct a prvním ředitelem se stal italský fyzik Edoardo Amaldi. V současnosti je řádných členů dvacet jedna. Posledním připojeným řádným členem se stal v lednu tohoto roku Izrael, který je, a pravděpodobně i v budoucnu bude, jediným řádným členem, který nemá ani část svého území v Evropě. Nyní probíhá proces přijetí Rumunska, které by se členem mohlo stát v příštím roce. A u dalších států se o případném připojení jedná. Česká republika je členem laboratoře CERN od roku 1993. Významnými partnery laboratoře, kteří zde mají velký počet vědců a intenzivně se na výzkumech v laboratoři podílejí, jsou však i státy, které nejsou řádnými členy, například Spojené státy a Rusko.

 

 

Zvětšit obrázek
Bublinová komora Gargamelle stojí za prvním pozorováním neutrálních proudů ve slabé interakci (zdroj CERN).

Připomeňme si alespoň některé z klíčových úspěchů laboratoře. Prvním z nich je objev neutrálních proudů, které byly jedním z klíčových důkazů platnosti teorie elektroslabých interakcí. Jde o slabé interakce nenabité částice, při kterých nedochází k přenosu náboje. V daném případě se studoval pružný rozptyl neutrin. Klíčovým zařízením byla velká bublinová komora Gargamelle.  V ní interagovala neutrina, která byla připravována pomocí srážek svazku relativistických protonů produkovaných protonovým synchrotronem (PS) s pevným terčem. Objev byl ohlášen v roce 1973.


 

Zvětšit obrázek
Vakuová komora zařízení ISR, ve kterém se poprvé dařilo srážet protony s protony a později protony s antiprotony (zdroj CERN).

Konečným potvrzením správnosti teorie elektroslabých interakcí se později stalo prokázání existence W a Z bosonů, které slabou interakci zprostředkují. To se podařilo v roce 1983. Vědělo se, že jejich hmotnost je vysoká a přesahuje hmotnost osmdesáti protonů. Proto bylo potřeba učinit velký skok v energii, která se při srážce jader uvolňovala. Toho se podařilo dosáhnout s využitím už existujícího urychlovače SPS (Super Proton Synchrotron) tak, že se nesrážely urychlované částice s jádry terče, který je v laboratoři v klidu, ale urychlil se svazek částic v opačném směru. Svazky proti sobě letících částic se tak srážely. Aby bylo možné toho dosáhnout, musely se využívat v druhém svazku antiprotony. Tak bylo možné pomocí urychlovače SPS dosáhnout energie srážek potřebné pro produkci bosonů W a Z. A za tento objev dostali už zmiňovaní Carlo Rubia a Simon van der Meer Nobelovu cenu.

 

Zvětšit obrázek
Současným klíčovým zařízením je urychlovač LHC, který se připravuje na urychlování na maximální energie i intenzity (zdroj CERN).

Zajímavé je připomenout, že jako předurychlovač zařízení SPS sloužil a slouží už zmíněný urychlovač PS. A oba dohromady nyní tvoří předstupeň pro urychlovač LHC. Tato politika postupného rozšiřování urychlovacího komplexu a stálé využívání už existujících zařízení přináší finanční úspory a ukázala se být velice úspěšnou.


Dalším výrazným úspěchem bylo přesné měření doby života bosonu Z v roce 1989, které umožnilo zjistit, že existují jen tři generace lehkých neutrin a tedy i leptonů a kvarků (podrobněji o tom v článku, jak se vyznat ve všemožných částicích). Tento objev umožnil urychlovač LEP, na kterém se srážely elektrony s pozitrony.


Zajímavým výsledkem byla i první produkce antivodíku v roce 1995 s využitím značně specifické metody (zde), jeho hromadnější produkce v roce 2002 (zde) a v roce 2010 pak první zachycení atomů antivodíku v magnetické pasti (zde).  No a v posledních letech je nejvýznamnějším úspěchem potvrzení existence Higgsova bosonu, které umožnil právě současný největší urychlovač na světě LHC (přehled jeho výsledků je zde). Ten umožnil předat v minulém roce Nobelovu cenu Peteru Higgsovi a Francoa Englertovi (zde). 
Kromě významných výsledků základního výzkumu se však CERN podílí i na řadě aplikací. Tím nejznámějším počinem, u kterého CERN stál, je zrod webu. Ten začal jako cernský projekt ENQUIRE, který vytvořili Tim Berners-Lee a Robert Cailliau. Podrobnější rozbor důležitostí výzkumu, který CERN provozuje, je například v tomto článku o užitečnosti projektu urychlovače LHC. Podrobněji se k různým výsledkům vrátíme v dalších článcích. Těch bude určitě v rámci výročí řada od řady autorů.

 

 

Zvětšit obrázek


Oslavy výročí laboratoře CERN u nás

 

ZProgram zde

Na práci laboratoře CERN se podílí i značný počet českých institucí, vědců i studentů. Proto se řada akcí k připomínanému výročí bude konat i zde. Dovolím si zmínit dvě z nich. První je interaktivní výstava, která proběhne od 2. do 25. září v budově Akademie věd na Národní třídě v Praze. Druhou pak je slavnostní seminář v pražském Karolinu, který se uskuteční v pondělí 8. září. Do laboratoře CERN se lze také poměrně snadno dostat na exkurzi a zařízení si tak prohlédnout. Jako příklad mohou sloužit třeba i české učitelské týdny v CERNU, které se dařilo organizovat v minulých letech a následné exkurze, které organizovali učitelé pro své žáky (viz zde)


 

Autor: Vladimír Wagner
Datum: 01.09.2014 00:23
Tisk článku

Částice na konci vesmíru - Carroll Sean
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 398 Kč
cena: 374 Kč
Částice na konci vesmíru
Carroll Sean
Související články:

V CERNu srazili těžká jádra s rekordní energií     Autor: Stanislav Mihulka (28.11.2015)
Znamenají divné rozpady mezonů B trhlinu ve Standardním modelu?     Autor: Stanislav Mihulka (05.09.2015)
Restartovaný LHC pokořil světový rekord v energii sražených částic     Autor: Stanislav Mihulka (23.05.2015)
První srážky s energií 13 TeV na urychlovači LHC     Autor: Vladimír Wagner (23.05.2015)
Houstone, Velký hadronový srážeč LHC má problém     Autor: Stanislav Mihulka (28.03.2015)



Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni